Jak radzić sobie z toksycznością cezu – często wykorzystywanego, a niebezpiecznego dla ludzi i środowiska? Pomóc mogą nanomateriały zawierające sumanen. Pracuje nad tym dr inż. Artur Kasprzak z Wydziału Chemicznego Politechniki Warszawskiej. Jest jedynym naukowcem na świecie, który zajmuje się takim zastosowaniem tego związku.

Wysokie stężenia izotopu cezu 137Cs występuje głównie tam, gdzie doszło do katastrof elektrowni atomowych. Tak było np. w Fukushimie i przyniosło poważne konsekwencje.

– Japonia jest krajem wyspiarskim, więc problem był większy niż w Czarnobylu – toksyczny cez przedostał się do wody, w tym do wód gruntowych, na tereny, na których uprawiany jest ryż – mówi dr inż. Artur Kasprzak. –  Nie możemy także zapomnieć o występowaniu prądów morskich i o wpływie tego radioaktywnego pierwiastka na ryby.

Co więcej, należy pamiętać, że jeśli izotop cezu już dostanie się do środowiska, będzie w nim występował przez minimum 30 lat.

Problem z cezem dotyczy jednak nie tylko miejsc katastrof, a całego świata, bo pierwiastek (pod różnymi postaciami) wykorzystuje się m.in. w leczeniu nowotworów, przemyśle farmaceutycznym, a nawet w suplementach diety.

W poszukiwaniu praktycznego zastosowania

Naukowcy zaczęli szukać sposobów usuwania soli cezu z roztworów wodnych. Tu pojawiły się dwie główne trudności – niska selektywność opracowanych rozwiązań (usuwają nie tylko cez, ale też pożądane pierwiastki, takie jak potas i magnez) oraz wysokie koszty utylizacji.

Dr Kasprzak opracował nowy materiał – składający się z magnetycznych nanocząstek węglowych z rdzeniem kobaltowym modyfikowanych sumanenem.

– Sumanenem zainteresowałem się w 2019 roku podczas stażu naukowego w Osaka University w Japonii, gdy pracowałem w zespole prof. Hidehiro Sakurai – to on w 2003 roku odkrył ten związek – opowiada dr Kasprzak. – Zwróciłem uwagę, że większość badań prowadzonych nad sumanenem to głównie badania strukturalne i syntetyczne. Brakowało w nich informacji o praktycznym wykorzystaniu. Udało mi się jedynie znaleźć wzmiankę, że sumanen w sposób selektywny oddziałuje z kationami cezu.

To był początek dalszych badań.

To działa!

Dr Kasprzak postanowił praktycznie wykorzystać to działanie sumanenu, opracowując magnetyczny nanoadsorbent cezu.

– Materiał absorbujący cez wsypuje się do zanieczyszczonej wody – mówi naukowiec z PW. –  Jego właściwości magnetyczne pozwalają na szybkie, łatwe i dokładne oddzielenie materiału od roztworu. Jeśli wrzucimy do zanieczyszczonej wody materiał bez tych właściwości, musimy oddzielić go w inny sposób, chociażby poprzez odsączanie lub wirowanie. W kuchni jest to proste, ale w przemyśle już nie. Właściwości magnetyczne ułatwiają cały proces. Wystarczy, że przyłoży się magnes do fiolki i materiał oddziela się od roztworu, a wraz z nim cez.

We współpracy z zespołem prof. Hidehiro Sakurai z Japonii dr Kasprzak przeprowadził badania sprawdzające skuteczność swojego rozwiązania. Jednoznacznie stwierdził, że pozwala ono usunąć cez z roztworu, a testy z wykorzystaniem sodu i potasu jako „przeszkadzaczy” (interferentów) potwierdziły selektywność metody.

Pomyślnie wypadły również próby z zawierającymi sól cezu ściekami wodnymi, powstającymi w trakcie prac nad prekursorem leku przeciwnowotworowego i w przypadku ścieków generowanych w rutynowych syntezach organicznych. Badania potwierdziły ponadto, że wytworzony materiał może być wykorzystywany wielokrotnie, ma dużą pojemność adsorpcyjną i można go łatwo regenerować – wystarczy trochę wody. To zmniejsza objętość ścieku zawierające cez i pozwala obniżyć koszty związane z przechowywaniem czy utylizacją odpadów.

Projekt „Magnetyczne nanoadsorbenty zawierające sumanen do selektywnego i efektywnego usuwania soli cezu z roztworów wodnych lub organicznych” jest finansowany w ramach realizowanego na Politechnice Warszawskiej programu „Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza”. Pomysł otrzymał wsparcie w konkursie Centrum Badawczego POB Technologie materiałowe.